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Co:spinel VS V:YAG:用于1.3μm激光器的可饱和吸收体

晶体 / 2024年8月22日

1.3um波段处于石英光纤的低损耗区并临近零色散区,同时对水分子有良好的吸收特性,因此1.3μm波段激光在光纤通信、激光医疗、光学遥感等领域有着广泛的应用。另外,1.3um波段激光通过二倍频获得的红光激光和通过三倍频获得的蓝光激光在激光显示领域也有着重要的应用。再者1.3μm波段激光还可通过受激拉曼散射产生1.5um波段人眼安全激光,其在激光雷达、自由空间光通信等领域有着重要应用。特别地,1314nm的二次谐波(657nm)和四次谐波(328nm)可分别应用于钙原子光钟和银原子光钟,提供了更高精度的时间频率标准。

1.3mm 波段固体增益介质主要有Nd:YVO4、Nd:GdVO4、Nd:YAG、Nd:GGG、Nd:KGW、Nd:YAP、Nd:YLF 等晶体。

目前，用于1.3μm激光的可饱和吸收体的主要有V∶YAG、Co∶LMA、Co∶MgAl2O4、半导体饱和吸收镜等。

Co:MgAl2O4可饱和吸收体

Co:MgAl2O4晶体的全称是掺Co2+镁铝尖晶石，Co2+在1.2～1.6μｍ 有较宽的吸收带、很大的吸收截面、较长的激发态寿命及较小的激发态吸收损耗。用于波长 1.2到1.6 mm 的激光发射，特别适用于对人眼安全的波长1.54 mm Er:glass激光器，同时也可以工作在波长1.44 μm与 1.34 μm。大吸收截面(3.5±0.6×10-19cm2)可以实现闪光灯和二极管泵浦的Er:glass激光器的被动Q调节，不产生腔内聚焦。微小的受激态吸收，使对Q调节具有高对比度，原始饱和吸收率(小信号)大于10。Co:MgAl2O4晶体是1.5μm人眼安全波段最理想的被动调Q开关，同时在1.3μm处也有良好的可饱和吸收特性，其吸收截面σa＝2.8×10-19cm2。Nd:YAG晶体在1319nm处的受激发射截面为0.95×10-19cm2。两个截面的比值为2.95，有利于被动调Ｑ脉冲激光的产生

Co:MgAl2O4可饱和吸收体

  • 吸收截面：Co:MgAl2O4晶体中，1.34 μm处的基态吸收截面约为（2.8±0.4）×10−19 cm2，1.54 μm处的基态吸收截面约为（3.5±0.6）×10−19 cm2。
  • 弛豫时间：Co²⁺: MgAl2O4中的弛豫时间较长，约为350 ns。这种较长的弛豫时间使其更适合需要较大脉冲能量的应用。
  • 饱和强度：虽然Co:MgAl2O4的饱和截面较低，但其高饱和强度使其适用于高强度激光应用。与其他材料（如V:YAG）相比，Co:MgAl2O4晶体的饱和强度约为V:YAG的50倍​。

V:YAG可饱和吸收体

V3+:YAG 的线性吸收光谱如图所示,可以看出光谱范围很宽，大于 1000nm，在 425nm、600nm、800nm、1140nm、1320nm附近有5个吸收峰，实验证明其在0.75~1.44 μm具有饱和吸收特性，可在此波段作为被动调Q元件。它在1.3μm处的基态吸收截面大，为σgsa=(7.2±2.6)×10-18cm2，激发态吸收截面小，为σesa=(7.4±2.8)×10-19cm2，两者比值为 β=σesa/σgsa≈0.1，即对应的激发态再吸收损耗小。它的恢复时间较短,为22±6ns，合理设计腔型可获得调 Q 锁模运转。

V:YAG也是一种广泛使用的饱和吸收材料，其关键特性如下：

  • 吸收截面：V:YAG在1342 nm处的基态吸收截面约为7.2×10−18 cm2，而激发态吸收截面为7.4×10−19 cm2。与Co:MgAl2O4相比，V:YAG在类似波长下具有更高的吸收率。
  • 弛豫时间：V:YAG的弛豫时间远短于Co:MgAl2O4，通常约为22 ns。较短的弛豫时间使V:YAG更适合需要短脉冲持续时间和高重复率的应用​。
V YAG

V:YAG可饱和吸收体

物化性质参数的表格对比

属性Co:SpinelV:YAG
化学式Co2+:MgAl2O4V3+:Y3Al5O12
晶体结构立方立方– la3d
密度3,58 g/cm34,56 g/cm3
取向[100] or [111] < ±0.5°<100> <+/-0.5°
光密度0.1-0.90.1-0.8
工作波长范围1.2~1.6μm0.75～1.44μm
吸收截面3.5×10-19 cm2(at 1.54 µm)7.2×10-18cm2(at 1.34 µm)
吸收系数0 ～ 7 cm-11.0cm-1 – 7.0cm-1
导热系数17 Wm-1K-111.2 Wm-1K-1
损坏阈值>500 MW/cm2>500 MW/cm2

吸收谱图对比

钴尖晶石吸收谱

V YAG吸收谱

1.3μm被动调Q激光器案例

钴尖晶石

1999年，V.P.Mikhailov等人首先利用灯泵作为泵源,用Co2+:MgAI2O4晶体作为饱和吸收体,对 Nd:YAIO3晶体的被动调Q脉冲激光输出。而后对Co2+:MgAL2O4晶体和 Co2+:LaMgAl11O19晶体做了比较研究，分别实现了 1.34 μm 和 1.5 μm 的被动调 Q脉冲输出。利用Co2+:MgAl2O4晶体作为饱和吸收体的1.34μm 激光器脉冲宽度为110ns，单脉冲能量为10mJ。

2011年，Y. Liu等利用 Co2+:MgAl2O4（Co2+:MALO）晶体作为可饱和吸收体，实现了二极管泵浦 1.34 μm Nd:GdVO4 激光器的无源 Q 开关输出。当输出镜的透射率为 15%时，Q 开关脉冲宽度为 110 ns，在 9.69 W 的泵浦功率下，相应的平均输出功率为 460 mW，光电转换效率为 36%。在约 330 kHz 的重复频率下，单个 Q 开关脉冲能量和峰值功率分别约为 1.39 μJ 和 12.6 W。

2017年，林等基于激光晶体 Nd∶GYSGG 和 平凹谐振腔,利用 Co∶MgAl2O4可饱和吸收体获得 了脉宽为20.5ns、峰值功率为1319W 的1331.6nm 脉冲激光输出。

2018年，林等采用 Nd∶YAG 晶体,利用简单紧凑的双镜谐振腔及 Co∶MgAl2O4可饱和吸收体，实现了1319nm被动调Q脉冲激光的输出，脉冲宽度仅有18.3ns,单脉冲能量为28.1μJ,峰值功率达到1533W。与其他V:YAG、Co:LMA及纳米材料可饱和吸收体相比，Co:MgAI2O4:晶体在1.3μm波段具有良好的饱和吸收特性。

V:YAG

2005年，薛等使用T0为85%的V:YAG,获得了平均功率输出功率 96 mW,脉宽8.8ns,重复频率 25kHz,峰值功率436W.脉冲能量3.84μJ的实验结果。

2011年，徐用LD泵浦Nd:GdVO4晶体、V:YAG被动调Q1342nm激光运转，其中饱和吸收体V:YAG的小信号透过率为96%。在输出合镜透过率T=15%及泵浦功率7.93W情况时，得到了最短脉冲宽度80ns、最高峰值功率244W及最大单脉冲能量19.5μJ。

2016年，Teng Song等报道了激光二极管泵浦被动调Q的Nd: GYSGG激光器在1331 nm的性能，该激光器采用V: YAG饱和吸收体。当泵浦功率为11.75 W时，最大平均输出功率为251mW。采用8.8%的输出耦合器，最小脉冲宽度为23.9 ns，脉冲重复频率为11 kHz，与峰值功率相对应954 W。

参考文献

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